miniaturadeimagen| Suspensiones de nanopartículas de oro de varios tamaños. La diferencia de tamaño provoca la diferencia de colores. El oro coloidal es un sol o suspensión coloidal de nanopartículas de oro en un líquido, generalmente agua. El coloide suele ser de un color rojo intenso (para partículas esféricas de menos de 100 nm) o azul/violeta (para partículas esféricas más grandes o nanobarras). Debido a sus propiedades ópticas, electrónicas y de reconocimiento molecular, las nanopartículas de oro son objeto de una investigación sustancial, con muchas aplicaciones potenciales o prometidas en una amplia variedad de áreas, que incluyen microscopía electrónica, nanotecnología, ciencia de materiales y biomedicina.
Las propiedades de las nanopartículas de oro coloidal y, por tanto, sus posibles aplicaciones, dependen en gran medida de su tamaño y forma. Por ejemplo, las partículas en forma de varilla tienen picos de absorción tanto transversal como longitudinal, y la anisotropía de la forma afecta su autoensamblaje.
Historia izquierda|miniaturadeimagen| Este cuenco de vidrio de color arándano se hizo agregando una sal de oro (probablemente cloruro de oro) al vidrio fundido. Utilizado desde la antigüedad como método para teñir vidrieras, el oro coloidal se utilizó en la Copa de Licurgo del , que cambia de color según la ubicación de la fuente de luz.
Durante la Edad Media, el oro soluble, una solución que contiene sal de oro, tenía fama de tener propiedades curativas para diversas enfermedades. En 1618, Francis Anthony, filósofo y miembro de la profesión médica, publicó un libro llamado Panacea Aurea, sive tractatus duo de ipsius Auro Potabili (en latín: poción de oro o dos tratamientos de oro potable). El libro presenta información sobre la formación de oro coloidal y sus usos médicos. Aproximadamente medio siglo después, el botánico inglés Nicholas Culpepper publicó el libro en 1656, Tratado de Aurum Potabile, discutiendo únicamente los usos médicos del oro coloidal.
En 1676, Johann Kunckel, un químico alemán, publicó un libro sobre la fabricación de vidrieras. En su libro Valuable Observations or Remarks About the Fixed and Vollatile Sales-Auro and Argento Potabile, Spiritu Mundi and the Like, Kunckel asumió que el color rosa de Aurum Potabile provenía de pequeñas partículas de oro metálico, no visibles para los ojos humanos . En 1842, John Herschel inventó un proceso fotográfico llamado crisotipo (del griego χρῡσός que significa «oro») que usaba oro coloidal para registrar imágenes en papel.
La evaluación científica moderna del oro coloidal no comenzó hasta el trabajo de Michael Faraday en la década de 1850. En 1856, en un laboratorio del sótano de Royal Institution, Faraday creó accidentalmente una solución de color rojo rubí mientras montaba trozos de pan de oro en portaobjetos de microscopio. Como ya estaba interesado en las propiedades de la luz y la materia, Faraday investigó más a fondo las propiedades ópticas del oro coloidal. Preparó la primera muestra pura de oro coloidal, al que llamó 'oro activado', en 1857. Usó fósforo para reducir una solución de cloruro de oro. El oro coloidal que Faraday hizo hace 150 años sigue siendo ópticamente activo. Durante mucho tiempo, la composición del oro «rubí» no estuvo clara. Varios químicos sospecharon que era un compuesto de oro y estaño, debido a su preparación. Faraday reconoció que el color se debía en realidad al tamaño en miniatura de las partículas de oro. Observó las propiedades de dispersión de la luz de las micropartículas de oro suspendidas, que ahora se llama efecto Faraday-Tyndall.
En 1898, Richard Adolf Zsigmondy preparó el primer oro coloidal en solución diluida. Además de Zsigmondy, Theodor Svedberg, quien inventó la ultracentrifugación, y Gustav Mie, quien proporcionó la teoría de la dispersión y absorción por partículas esféricas, también estaban interesados en la síntesis y propiedades del oro coloidal.
Con los avances en diversas tecnologías analíticas en el , los estudios sobre nanopartículas de oro se han acelerado. Los métodos avanzados de microscopía, como la microscopía de fuerza atómica y la microscopía electrónica, son los que más han contribuido a la investigación de nanopartículas. Debido a su síntesis relativamente fácil y alta estabilidad, se han estudiado varias partículas de oro para sus usos prácticos. Ya se utilizan diferentes tipos de nanopartículas de oro en muchas industrias, como la electrónica.
Propiedades físicas
Óptica miniaturadeimagen|260x260px| La variación de la sección transversal de dispersión de una nanopartícula de oro de 100 nm de radio frente a la longitud de onda Los artistas han utilizado oro coloidal durante siglos debido a las interacciones de las nanopartículas con la luz visible. Las nanopartículas de oro absorben y dispersan la luz dando como resultado colores que van desde rojos vibrantes (partículas más pequeñas) hasta azules y negros y finalmente transparentes e incoloros (partículas más grandes), según el tamaño, la forma, el índice de refracción local y el estado de agregación de las partículas. Estos colores ocurren debido a un fenómeno llamado resonancia de plasmón de superficie localizada (LSPR), en el que los electrones de conducción en la superficie de la nanopartícula oscilan en resonancia con la luz incidente.
Efecto del tamaño Como regla general, la longitud de onda de la luz absorbida aumenta en función del aumento del tamaño de las nanopartículas. Por ejemplo, nanopartículas de oro pseudoesféricas con diámetros ~ 30 nm tienen un pico de absorción LSPR a ~ 530 nm.
Efecto del índice de refracción local Los cambios en el color aparente de una solución de nanopartículas de oro también pueden ser causados por el entorno en el que está suspendido el oro coloidal Las propiedades ópticas de las nanopartículas de oro dependen del índice de refracción cerca de la superficie de la nanopartícula, por lo tanto, ambas moléculas unidos directamente a la superficie de la nanopartícula (es decir, ligandos de nanopartículas) y/o el disolvente de nanopartículas, ambos pueden influir en las características ópticas observadas. A medida que aumenta el índice de refracción cerca de la superficie del oro, el NP LSPR cambiará a longitudes de onda más largas. Además del entorno solvente, el pico de extinción se puede ajustar recubriendo las nanopartículas con capas no conductoras como sílice, biomoléculas o óxido de aluminio.
Efecto de la agregación Cuando las nanopartículas de oro se agregan, las propiedades ópticas de la partícula cambian, porque el tamaño, la forma y el entorno dieléctrico efectivos de las partículas cambian.
Investigación médica
Microscopía electrónica El oro coloidal y varios derivados se encuentran desde hace mucho tiempo entre los marcadores más utilizados para antígenos en microscopía electrónica biológica. Las partículas de oro coloidal se pueden unir a muchas sondas biológicas tradicionales, como anticuerpos, lectinas, superantígenos, glucanos, ácidos nucleicos y receptores. Las partículas de diferentes tamaños se pueden distinguir fácilmente en micrografías electrónicas, lo que permite experimentos de etiquetado múltiple simultáneos.
Además de las sondas biológicas, las nanopartículas de oro se pueden transferir a varios sustratos minerales, como mica, silicio monocristalino y oro atómicamente plano (III), para ser observados bajo microscopía de fuerza atómica (AFM).
Sistema de suministro de medicamento Las nanopartículas de oro se pueden utilizar para optimizar la biodistribución de fármacos a órganos, tejidos o células enfermos, con el fin de mejorar y dirigir la administración de fármacos. La administración del fármaco mediada por nanopartículas es factible sólo si la distribución del fármaco es inadecuada. Estos casos incluyen el direccionamiento de fármacos inestables (proteínas, ARNip, ADN), administración a sitios difíciles (cerebro, retina, tumores, orgánulos intracelulares) y fármacos con efectos secundarios graves (por ejemplo, agentes anticancerígenos). El rendimiento de las nanopartículas depende del tamaño y las funcionalidades superficiales de las partículas. Además, la liberación del fármaco y la desintegración de las partículas pueden variar según el sistema (por ejemplo, polímeros biodegradables sensibles al pH). Un sistema óptimo de administración de nanofármacos asegura que el fármaco activo esté disponible en el sitio de acción durante el tiempo y la duración correctos, y su concentración debe estar por encima de la concentración mínima efectiva (MEC) y por debajo de la concentración mínima tóxica (MTC).
Las nanopartículas de oro se están investigando como portadores de fármacos como el paclitaxel. La administración de fármacos hidrófobos requiere encapsulación molecular y se encuentra que las partículas nanométricas son particularmente eficientes para evadir el sistema reticuloendotelial .
Detección de tumores En la investigación del cáncer, el oro coloidal puede usarse para atacar tumores y proporcionar detección usando SERS (espectroscopía Raman mejorada de superficie) in vivo. Estas nanopartículas de oro están rodeadas de reporteros Raman, que proporcionan una emisión de luz 200 veces más brillante que los puntos cuánticos. Se encontró que los indicadores Raman se estabilizaron cuando las nanopartículas se encapsularon con una capa de polietilenglicol modificado con tiol. Esto permite la compatibilidad y la circulación in vivo . Para apuntar específicamente a células tumorales, las partículas de oro polietilengilado se conjugan con un anticuerpo (o un fragmento de anticuerpo tal como scFv), contra, por ejemplo, el receptor del factor de crecimiento epidérmico, que a veces se sobreexpresa en células de ciertos tipos de cáncer. Usando SERS, estas nanopartículas de oro pegilado pueden detectar la ubicación del tumor.
Las nanopartículas de oro se acumulan en los tumores, debido a la filtración de la vasculatura del tumor, y se pueden usar como agentes de contraste para obtener imágenes mejoradas en un sistema de tomografía óptica de resolución temporal que utiliza láseres de pulso corto para la detección del cáncer de piel en un modelo de ratón. Se ha descubierto que las nanopartículas de oro esféricas administradas por vía intravenosa ampliaron el perfil temporal de las señales ópticas reflejadas y mejoraron el contraste entre el tejido normal circundante y los tumores. Terapia genética Las nanopartículas de oro han mostrado potencial como vehículos de administración intracelular para oligonucleótidos de ARNip con un impacto terapéutico máximo.
Las nanopartículas de oro muestran potencial como vehículos de administración intracelular para oligonucleótidos antisentido (ADN monocatenario y bicatenario) al proporcionar protección contra nucleasas intracelulares y facilidad de funcionalización para el direccionamiento selectivo.Giljohann DA, Seferos DS, Prigodich AE, Patel PC, Mirkin CA. Gene regulation with polyvalent siRNA-nanoparticle conjugates. J Am Chem Soc 2009;131:2072–2073.
Agentes fototermales